Le MOSFET est un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur. Ou métal-isolant-semiconducteur. Le transistor bipolaire amplifie la faible variation de courant à l'entrée et produit une variation importante de courant à la sortie. Le gain d'un transistor bipolaire est défini comme le rapport entre le courant de sortie et le courant d'entrée (bêta). Un autre type de transistor, appelé transistor à effet de champ (TEC), convertit les variations de tension d'entrée en variations de courant de sortie. Le gain d'un TEC est égal à sa transconductance, définie comme le rapport entre la variation du courant de sortie et la variation de la tension d'entrée. Le nom du TEC vient également de son entrée (appelée grille), qui affecte le courant qui le traverse en projetant un champ électrique sur une couche isolante. En fait, aucun courant ne traverse cet isolant, le courant de grille du TEC est donc très faible. Le TEC le plus courant utilise une fine couche de dioxyde de silicium comme isolant sous la grille. Ces transistors sont appelés transistors métal-oxyde-semiconducteur (MOS) ou transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET). Plus petits et plus économes en énergie, les MOSFET ont remplacé les transistors bipolaires dans de nombreuses applications.

Qu’est-ce que le MOS ? quel est l'effet ?

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Le MOSFET est un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur, ou métal-isolant-semiconducteur. La source et le drain du MOSFET sont réversibles et constituent des régions de type N formées dans la grille arrière de type P. Dans la plupart des cas, ces deux régions sont identiques ; même si les deux extrémités sont inversées, cela n'affecte pas les performances du dispositif. Ces dispositifs sont considérés comme symétriques.

Le transistor bipolaire amplifie le petit changement du courant à l'extrémité d'entrée et génère un changement de courant important à l'extrémité de sortie. Le gain d'un transistor bipolaire est défini comme le rapport entre le courant de sortie et le courant d'entrée (bêta). Un autre type de transistor, appelé transistor à effet de champ (FET), convertit les changements de tension d'entrée en changements de courant de sortie. Le gain d'un FET est égal à sa transconductance, définie comme le rapport entre la variation du courant de sortie et la variation de la tension d'entrée.

Le nom du FET vient également de son entrée (appelée grille), qui affecte le courant qui le traverse en projetant un champ électrique sur une couche isolante. En effet, aucun courant ne traverse cet isolant, le courant de grille du FET est donc très faible. Le FET le plus courant utilise une fine couche de dioxyde de silicium comme isolant sous la grille. Ces transistors sont appelés transistors métal-oxyde-semiconducteur (MOS) ou transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET). Plus petits et plus économes en énergie, les MOSFET ont remplacé les transistors bipolaires dans de nombreuses applications.

Examinons d'abord un dispositif plus simple, le condensateur MOS, pour mieux comprendre le MOSFET. Ce dispositif comporte deux électrodes, l'une en métal et l'autre en silicium extrinsèque, séparées par une fine couche de dioxyde de silicium. Le pôle métallique est la GRILLE, et la borne semi-conductrice est la grille arrière, ou corps. La couche d'oxyde isolante entre les deux est appelée diélectrique de grille. Le dispositif illustré possède une grille arrière en silicium de type P légèrement dopé. Les caractéristiques électriques de ce condensateur MOS peuvent être expliquées en connectant la grille arrière à la masse et la grille à des tensions différentes. Le potentiel de GRILLE du condensateur MOS est de 0 V. La différence de travail d'extraction entre la GRILLE métallique et la GRILLE ARRIÈRE du semi-conducteur crée un faible champ électrique sur le diélectrique. Dans le dispositif, ce champ électrique rend les pôles métalliques légèrement positifs et le silicium de type P légèrement négatif. Ce champ électrique attire les électrons des couches inférieures du silicium vers la surface, tout en repoussant les trous de la surface. Ce champ électrique est trop faible, donc le changement de concentration des porteurs est très faible et l'influence sur les caractéristiques globales de l'appareil est également très faible.

Que se passe-t-il lorsque la GATE du condensateur MOS est polarisée en direct par rapport à la BACKGATE. Le champ électrique à travers le GATE DIELECTRIC s'intensifie et davantage d'électrons sont extraits du substrat. En même temps, les trous sont repoussés de la surface. À mesure que la tension GATE augmente, il y aura plus d’électrons que de trous à la surface. En raison de l’excès d’électrons, la surface du silicium ressemble à du silicium de type N. L'inversion de la polarité du dopage est appelée inversion et la couche de silicium inversée est appelée canal. À mesure que la tension GATE continue d'augmenter, de plus en plus d'électrons s'accumulent à la surface et le canal devient une forte inversion. La tension à laquelle le canal est formé est appelée tension de seuil Vt. Lorsque la différence de tension entre GATE et BACKGATE est inférieure à la tension de seuil, aucun canal n'est formé. Lorsque la différence de tension dépasse la tension seuil, le canal apparaît.

Condensateurs MOS : (A) non polarisé (VBG=0V), (B) inversé (VBG=3V), (C) accumulé (VBG=-3V).

Le milieu est le cas lorsque la GATE du condensateur MOS est une tension négative par rapport à la grille arrière. Le champ électrique est inversé, attirant les trous vers la surface et repoussant les électrons. La surface du silicium semble être plus fortement dopée et le dispositif est considéré comme étant dans un état d’accumulation.

Les caractéristiques des condensateurs MOS peuvent être utilisées pour former des transistors MOS. La grille, le diélectrique et la porte arrière restent tels quels. De chaque côté du GATE se trouvent deux régions supplémentaires dopées sélectivement. L’un d’eux est appelé source et l’autre est appelé drain. Supposons que la source et la porte arrière soient mises à la terre et que le drain soit connecté à une tension positive. Tant que la tension entre GATE et BACKGATE est toujours inférieure à la tension de seuil, aucun canal ne sera formé. La jonction PN entre le drain et la porte arrière est polarisée en inverse, de sorte que seule une petite quantité de courant circule du drain vers la porte arrière. Si la tension GATE dépasse la tension de seuil, un canal apparaît sous le diélectrique GATE. Ce canal est comme une fine couche de silicium de type N qui court-circuite le drain et la source. Un courant constitué d'électrons circule de la source à travers le canal jusqu'au drain. En général, il y aura un courant de drain uniquement lorsque la tension grille-source V dépasse la tension de seuil Vt.

Dans un MOSFET symétrique, l'identification de la source et du drain est quelque peu arbitraire. Par définition, les porteurs circulent de la source vers le drain. Par conséquent, l'identité de la source et du drain est déterminée par la polarisation du composant. Parfois, la tension de polarisation du transistor n'est pas fixe et les deux conducteurs intervertissent leurs rôles. Dans ce cas, le concepteur du circuit doit spécifier que l'un est le drain et l'autre la source.

La source et le drain sont des MOSFET asymétriques présentant des dopages et des formes géométriques différents. Les raisons de fabriquer des transistors asymétriques sont multiples, mais toutes aboutissent au même résultat final. Une borne est optimisée pour le drain et l'autre pour la source. Si le drain et la source sont inversés, le dispositif ne fonctionnera pas correctement.

Les transistors ont un canal de type N, d'où leur nom de MOSFET à canal N, ou NMOS. Il existe également un tube MOS à canal P (PMOS), un P-MOSFET composé d'une GRILLE ARRIÈRE de type N légèrement dopée et d'une source et d'un drain de type P. Si la GRILLE de ce transistor est polarisée en direct par rapport à la GRILLE ARRIÈRE, les électrons sont attirés vers la surface et les trous sont repoussés. La surface du silicium s'accumule et aucun canal ne se forme. Si la GRILLE est polarisée en inverse par rapport à la GRILLE ARRIÈRE, les trous sont attirés vers la surface et un canal se forme. Par conséquent, la tension de seuil du transistor PMOS est négative. Comme la tension de seuil du NMOS est positive et celle du PMOS négative, les ingénieurs suppriment généralement le signe devant la tension de seuil. Un ingénieur pourrait dire que « la tension du PMOS passe de 0.6 V à 0.7 V », alors qu'en réalité, elle chute de -0.6 V à -0.7 V.